Energiatermelés a csillagokban

A csillagok olyan égitestek, melyek belsejében saját tömegükbõl kifolyólag akkora nyomás és hõmérséklet uralkodik, hogy ott a körülmények kedveznek a termonukleáris reakciók lezajlásának. A Világegyetemben a látható anyag nagyrésze csillagok formájában van jelen. A fúziós reakciók során a csillagok belsejében egyre nehezeb atommagok épülnek fel energia felszabadulása mellett - ez táplálja az objektum sugárzását. A "Csillagok keletkezése" címû fejezetben végigkövethetõ, milyen folyamatok révén jönnek létre a csillagok. A kialakulásuknál összehúzódó és forrósodó felhõ idõvel olyan energiatermeléssel fog rendelkezni, amelynek révén egyensúlyi állapotba jut. Életének nagyrészét, közel 90%-át ilyen egyensúlyi állapotban tölti minden csillag, ezalatt hidrogén atommagokból helium atommagokat épít fel, ezt nevezik fõsorozati állapotnak. Ennek a szakasznak a hossza a csillag tömegétõl függ: minél nagyobb a tömege, annál magasabb hõmérséklet uralkodik centrumában és annál gyorsabban fogyasztja üzemanyagát. A 10 naptömegû csillagok élettartama például néhányszor 10-100 millió év, Napunké kb. 10 milliárd év, a 0,5 naptömegû csillagok akár 20-30 milliárd évig is élhetnek.

A csillag belsejére külsõ rétegei hatalmas nyomással nehezednek. A nagy nyomás és hõmérséklet következtében az anyag szabad elektronok és atommagok keverékére bomlik, ionizált állapotba kerül, ezt nevezzük plazmának. Az atommagok a heves hõmozgás következtében nagysebességgel ütköznek egymásnak, és idõnként összetapadnak: fúziós reakciókat hoznak létre. Ehhez rendkívül heves hõmozgás, azaz rendkívül magas hõmérséklet kell, ezért csak a csillag központi tartományában, a magban zajlanak. A csillagokban is, mint a Világegyetemben mindenhol a hidrogén a leggyakoribb elem, így életük legnagyobb részében hydrogen atommagokból hélium atommagokat építenek fel. A folyamat során négy proton (azaz négy hidrogén atommag) hoz létre két protonból és két neutronból álló hélium atommagot. A reakció lényege, hogy a négy alkotórész tömege külön-külön nagyobb, mint a keletkezett atommag teljes tömege. A kettõ közötti különbség a tömegdefektus, a kötési energia - ez az ami a fúzió során felszabadul. (Amennyiben visszafelé akarjuk játszani a reakciót, és alkotóira szeretnénk szétválasztani a hélium atommagot, energiát kell befektetnünk - amennyit az egyesítés során kaptunk - ez pedig megnöveli az egyes részecskék reakció utáni tömegét.)

4 db H atommag tömege külön-külön: 6,694x10^-24 g

1 db He atommag tömege: 6,645x10^-24 g

Különbség: 4,82x10^-26 g

Tömegdefektus: 0,7%

Az eredeti tömeg 0,7%-a szabadul fel energia formájában, ez a csillag sugárzásának forrása. Többféle energiatermelõ folyamat játszódik le a fõsorozati csillagok belsejében, ezek közül a két legfontosabbat ismertetjük az alábbiakban.

Proton-proton reakció: Ebben a folyamatban elsõ lépésként két proton kapcsolódik össze, amihez 10^-13 cm-re kell meg közelíteniük egymást - a nukleonokat összetartó magerõ ugyanis ilyen távolságban képes legyõzni a két azonos töltésû proton között fennálló elektromágneses taszítást.

A protonok ütközése a taszítás miatt általában rugalmas, csak nagyon ritkán kerülnek annyira közel egymáshoz, hogy összetapadjanak. (Mivel a csillag belsejében hatalmas mennyiségû anyag található, egyetlen másodperc alatt is rendkívül sok összekapcsolódás jön létre.) Ilyenkor egy deutériummag keletkezik, az egyik proton ugyanis egy pozitron és egy neutrínó kibocsátása közben neutronná alakul. Az eltávozó pozitron egyesül egy elektronnal és elektromágneses sugárzás keletkezik. A következõ lépésben a deutériummag egy harmadik protonnal találkozik, amelyet magába épít, és He3 izotópot hoz létre elektromágneses sugárzás kibocsátása közben. Ezután általában egy magához hasonló He3 izotóppal lép kölcsönhatásba, és egy négyes tömegszámú héliummag jön létre, két proton felszabadulásával. Egy héliummag keletkezése során 4,1x10^-5 erg (26,2 MeV) energiával lesz gazdagabb a csillag. (Az energia egy részét a neutrínók elviszik.)

Szén-nitrogén ciklus: Ennek során ugyancsak hélium atommagok keletkeznek de szén és nitrogén katalizátor közremûködésével. Egy C12 mag és egy proton ütközésekor elektromágneses sugárzás keletkezik, és egy N13 atommag jön létre. Ez azonban nem stabil, és egy positron valamint egy neutrínó kibocsátásával C13 izotóppá alakul. A positron elektronnal találkozva sugárzás formájában megsemmisül. A C13 mag egy protonnal való ütközés után N14 maggá alakul elektromágneses sugárzás kibocsátása közben. A nitrogénmag egy további protonnal ütközve instabil O15 maggá alakul, ismét elektromágneses sugárzás kibocsátásával. Ezután az O15 mag N15 magra, és egy pozitronra valamint egy neutrínóra esik szét. Majd az N15 mag protonnal találkozik és C12 mag, valamint He4 keletkezik belõle. A neutrínók energiájának figyelembevétele nélkül 4x10^-5 erg (25 MeV) energia szabadul fel egy hélium atommag kialakulása során.

A fõsorozati csillagokban mindkét reakció folyik. Az, hogy a kettõ közül melyik zajlik le nagyobb számban, a csillagban uralkodó hõmérséklettõl függ - ez pedig a csillag tömegétõl. A kisebb tömegû csillagokban a proton-proton reakció révén, a nagyobb tömegûekben a szén-nitrogén ciklus által szabadul fel több energia. Központi csillagunk belsejében 14-15 millió fok uralkodik, így itt a proton-proton reakció dominál, azonban a Napnál nem sokkal nagyobb tömegû égitesteknél már a szén-nitrogén ciklus veszi át a fõszerepet.

A csillag a fõsorozaton stabil állapotban, mechanikai és termikus egyensúlyban van. A csillag belsejében uralkodó nyomás a gáznyomásból és a sugárnyomásból (a sugárzás formájában felszabaduló energiából) tevõdik össze. Az esetleges túl nagy energiafelszabadulás kinyomja a külsõ rétegeket, megnöveli a mag térfogatát. Ennek következtében csökken a fúziós reakciók száma és így a belsõ nyomás is, ekkor összébb húzódik a csillag. A folyamat egyensúlyban tartja az égitestet, ezért a csillagok önszabályozó termonukleáris reaktoroknak is tekinthetõk. A csillag anyaga termikus egyensúlyban is van. A belsejében felszabaduló energiának egyenlõnek kell lennie a világûrbe kisugárzott energiával, és nem lehetnek benne olyan tartományok, amelyek állandóan melegednének vagy hûlnének.